一种多组共轴等速正反转视觉动态雕塑的研究及应用

引言

雕塑有着非常悠久的历史,不论从雕塑的体积还是表现的场景来看,雕塑作品散发出来的艺术气息无不透露出人类无穷的智慧,然而传统雕塑大多是对动作或者场景的瞬间捕捉,具有唯一且确定的状态。雕塑是最古老的艺术形式之一,黑格尔把雕塑定义为把人的形象当作一种立体物在三维度空间中加以处理。从古希腊的菲狄亚斯到文艺复兴时期的米开朗基罗,再到l9世纪的罗丹,都将雕塑作为一个独立自在的世界来对待,把团块和体积视为雕塑的重要原则,雕塑的空间形式和美学特征仅存在于单个形象本身的体面转换关系之中。古希腊雕塑家制定的原则及创造的作品被赞誉得完美无缺,因而反过来成为雕塑家探索过程中的桎梏。

现今雕塑不再是以静态单一的形式呈现在公众面前,国内外对于动态雕塑新形式的探究逐渐深入,对探索新媒介有着强烈渴望,动态装置雕塑也渐渐成为当代公共艺术中不可或缺的艺术形式之一。动态雕塑隶属于动态艺术,是西方现代雕塑的一个重要组成部分。从20世纪初的立体主义、未来主义到其后俄罗斯的先锋雕塑、包豪斯的艺术实验中,我们都能发现动态雕塑早期发展的雏形。

巴西里约奥运会主火炬背后的"动态光环"就是非常具有代表意义的动态雕塑,此装置是由美国艺术家AnthonyHowe设计的,这种形式感极强的动态模式几乎成了AnthonyHowe作品的重要标志。而这次的最大创新应该在于圣火盆使其上方空气温度升高,产生冷热循环气流驱动光环摆动,而非以往的利用自然风力,达到了功能与形式美的完整统一。

本文介绍了一种创意动态雕塑一山东省科技馆标志性动态雕塑"云图"的设计,雕塑由上百个上下对称、左右间隔反相布置、经过特殊造型设计的弧形叶片组成,如图l所示。在机电系统的控制下,叶片绕轴交错正反旋转,组成一副动态交替变幻的优美曲线。曲线无穷无尽,周而复始,让人神往,在灯光系统的映衬下熠熠生光,吸引游客探究其奥秘。

1雕塑组成

该动态雕塑总计有116片弧形叶片,绕轴按照两个相反相位,以螺旋线方式间隔布置。单相58片,29组,每组两片叶片轴对称布置。两组相反相位的叶片能够在同一轴上实现正反转运动,呈现出优美的动态曲线。同时叶片演示主体固定于转台上,转台能够360o连续旋转,转台上圆周分布8个七彩LED灯,LED灯可变色,配合叶片运动动态演绎。叶片转速l0~20r/min,转台转速3r/min,转速可调。

图1  "云图"展品

2多组共轴等速正反转结构设计

共轴等速正反转的应用非常广泛,比如共轴双旋翼直升机就是通过上下共轴反转的两组旋翼来平衡旋翼扭矩。实现共轴等速正反转的机械结构有很多,如锥齿轮结构、凸轮结构、带传动机构、联杆机构等。通过对比多种机械结构的特点并结合此处的应用,本文最终选择采用多组行星齿轮并列的传动方式进行设计,行星齿轮传动具有体积小、承载能力大、工作平稳等特点。多组正反转机械结构主要需保证传动精度和多组结构传动一致性,减小传动累积误差,基于这些要求,使中间的多组太阳齿轮并联安装在一根轴上,多组齿轮同时通过行星齿轮传递到外齿圈上。动力源同时驱动太阳轮轴和行星轮轴同向运动,并且设计太阳轮轴的转速是行星轮轴的两倍,利用行星齿轮运动之间的转速差实现等速正反转,如图2所示。

3叶片设计

为满足视觉要求,叶片设计时各叶片之间间距较小,叶片本身较薄、较密,且只有中间的旋转轴进行支撑。为保证叶片运动中相互交错、不干涉,叶片选用航空铝材料制作,叶片的造型创意来源于数学曲线集合,若干组同轴交叉且规律变化的数学曲线缓慢旋转,形成令人惊奇的炫目图形,体现了数学之美、科学之灵、艺术之气,充分表现了科学与艺术结合的魅力,各叶片基于数学曲线的形状,通过添加曲线加强筋增加强度。两半叶片通过锁紧环抱箍结构固定在旋转轴上,以便安装调节各叶片之间的角度,如图3所示。

图2  多组共轴等速正反转结构示意图

图3  叶片安装结构示意图

4旋转台结构设计

整个叶片组件的公转由旋转台承担,以回转支撑轴承和齿轮系为载体,传至电机,并对所需驱动进行估计,具体设计过程中,为缩小传动比,选用摆线针轮减速电机。预估公转转速后,得出传动比,并以等接触强度为依托,分配高、低速级齿轮传动比。确定齿数之后,对小齿轮分度圆进行计算,保证其强度。结合材料性能,对齿轮系的弯曲疲劳强度和齿根强度进行验算,从而满足动力系统强度要求:并配合采用变频器对电机进行调速,以满足公转速度要求。

5结语

综上所述,以行星齿轮传动为基础对同轴等速正反转结构进行设计,不仅结构简洁、紧凑,而且传动精度高、同步性好,不存在传动累积误差。此动态雕塑利用巧妙的机械结构,把深奥的数学曲线美妙地展示出来,从远处望去,如同一团"变幻的云朵"在不停变幻科学的玄妙图案,让人体会到一种数学曲线行云流水般的韵律感,其中应用到了机械、电子、材料、控制、数字曲线等技术。

科学技术的进步、城市空间的发展、人们生活的需求让动态雕塑艺术以前所未有的方式进入了公共空间,动态雕塑将艺术与科技因素结合起来,使二者真正融合在一起。